Mechanikai érzékelők I. Érzékelési módszerek

Mechanikai érzékelők I.

Mechanikai érzékelők I. Érzékelési módszerek Battistig Gábor

MTA EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet Mikrotechnológiai laboratórium [email protected]

1


MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK Érzékelő: a mérendő fizikai, kémiai, biológiai, stb. mennyiséget alakítja át mérhető, elektromos mennyiséggé. Mit akarunk mérni? • Elmozdulás • Gyorsulás • Forgás • Erő • Nyomaték • Mechanikai feszültség • Nyomás • Áramlási sebesség • Tömeg (súly) • Sűrűség • Viszkozitás …

Hogyan tudjuk mérni? • Ellenállás, ellenállás változás • Piezoelektromosság • Piezoellenállás • Kapacitásváltozás • Mágneses indukció • Optikai módszerek • Sugárzás (Doppler effektus) • Áramlási sebesség • Hőmérsékletváltozás (surlódás) …

2


Ellenállásváltozás Potenciométer Ellenállás Csúszka V0

R0 R1

V1

𝑅1 𝑉1 = 𝑉0 𝑅0 Elmozdulással arányos ellenállás/feszültség változás 3


Ellenállásváltozás alakváltozás hatására

Prizmatikus, hossz mentén állandó keresztnetszetű fém rúd ellenállása:

𝑙 𝑅=𝜌 𝑞 ρ : fajlagos ellenállás l : hossz q : keresztmetszet Ha a rúdra húzórő hat, a hossza megnövekszik, a keresztmetszete lecsökken, a fajlagos ellenállása is változhat. A mechanikai feszültség - alakváltozást okoz – tenzometrikus hatás - fajlagos ellenállás változást okoz - piezorezisztív hatásnak

4


Nyúlásmérő bélyeg

Alapegyenlete:

𝑑𝜌 𝑑𝑅 𝜌 𝑅 𝑘= = 1 + 2𝜐 + 𝑑𝑙 𝑑𝑙 𝑙 𝑙

k : gauge faktor – bélyegállandó ν : Poisson-tényező dl/l = ε : fajlagos nyúlás

A bélyegállandó a legfontosabb szenzorjellemző, megadja a kapcsolatot a mechanikai és az elektromos jellemzők között – adott nyúláshoz mekkora ellenállásváltozás tartozik.

5


Anyagi jellemzők

Fémek: tenzometrikus hatás a domináns – a fajlagos ellenállásuk első közelítésben nem változik. Tipikus gauge-factor: 1.8 – 2.2 Félvezetők: a piezorezisztív hatás a domináns – a fajlagos ellenállásváltozás jelentős. Tipikus gauge faktor: 100 – 120 – 1000… 6

Mechanikai érzékelők I. Fémes alapú, fólia nyúlásmérő bélyegek

Előnyök: nagyon egyszerű használat, sokféle geometria, elektromos zavarok alig befolyásolják Hátrányok: kis elmozdulások mérhetők csak, rugalmas tulajdonságok meghatározóak, termikus hatások jelentősek 7

A nyúlásmérő bélyeg anyagfüggő jellemző karakterisztikája

Mechanikai érzékelők I. Piezorezisztív hatás Piezorezisztiviás:

Δ𝜌 𝜌

= Π𝑇

T : mechanikai feszültség (másodrendű tenzor)  : piezorezisztív együttható (negyedrendű tenzor)  : fajlagos ellenállás Előny a statikus mérés lehetősége. A piezorezisztív együttható anyagfüggő!!! Legtöbbet alkalmazott félvezető anyag a szilícium.

9


Egykristályos félvezetők piezorezisztivitása

10


11


Piezorezisztív együttható

Longitudinális és tranzverzális piezorezisztív együttható.

Az érzékelőkben leggyakrabban előforduló esetek

12

Mechanikai érzékelők I. Piezorezisztív együttható (Si)

13


Mechanikai érzékelők I. Piezorezisztív együttható (Si)

A piezorezisztív együtt-ható koncentráció és hőmérsékletfüggése szilíciumban

Az együttható növekvő koncentrációval és hőmérséklettel csökken. A gyakorlatban a kis TK érdekében nagy adalék-koncentrációt használnak még az érzékenység romlása árán is. 15


Piezorezisztív elven működő Si MEMS nyomásmérő

A külső nyomás hatására deformálódik a vékony egykristály Si. A megfelelő kristálytani irányokban kialakított ellenállásokkal mérhető a membránban kialakuló mechanikai feszültség.

Mechanikai érzékelők I. Kapacitív érzékelés elve A mérendő jelet  kapacitásváltozás Párhuzamos elektródájú elrendezés

𝐴 𝐶0 = 𝜀 𝑑

ε : dielektromos állandó A : elektróda felszíne d : elektródák távolsága

Kis elmozdulásokra (marad síkkondenzátor)

Δ𝐶 𝐴 = −𝜀 2 Δ𝑑 𝑑 Előnyök: nagy érzékenység, csak a geometriai paraméterektől és a rugalmassági állandótól függ, hőmérsékletfüggés csak a hőtágulásból adódik Hátrányok: nem-lineáris karakterisztika, nem egyenletes deformációból adódó kapacitásváltozás, nem elhanyagolható szórt kapacitások

17


Mikrogépészettel megvalósított kapacitív nyomásmérő chip

18


Mikrogépészettel megvalósított kapacitív nyomásmérő chip

19


MEMS nyomás / gyorsulás érzékelők

20

Mechanikai érzékelők I. Piezoelektromosság Piezo- és inverz piezoelektromos effektus: a piezoelektromos effektus lényege, hogy mechanikai feszültség hatására elektromos polarizáció (töltésszétválasztás) lép fel bizonyos anyagokban. A fordított (inverz) effektus során villamos feszültség (villamos tér) hatására az anyagban alakváltozás jön létre.

A keletkezett töltések az anyagban ébredő mechanikai feszültséggel arányosak, k egy anyagra jellemző állandó, A a piezoelektromos anyag (kristály) felülete. Leggyakrabban kvarc, ZnO, LiNbO3, LiTaO3, PZT …

𝐹 𝑞=𝑘 𝐴

21


Előnyök: nem kell tápfeszültség, egyszerű – feszültségmérés, kis és nagy erők is jól mérhetőek, hőmérsékletváltozásra érzéketlen, sokféle geometria, elektromos zavarok alig befolyásolják Hátrányok: csak jól megválasztott anyagok alkalmazhatók, csak a mechanikai feszültség változása mérhető, kristálytani irányfüggő 22

Mechanikai érzékelők I. Mágneses elven történő érzékelés Közvetlen Érzékelhet egy mágneses teret (direkt alkalmazás), pl. mint egy magnetométerben a Föld mágneseses terét, vagy egy adattároló készülékben az adathordozó (mágneses lemez, szalag, kártya, stb.) lokális mágnesezettségét. Közvetett A mágneses tér mint közvetítő eszköz szolgál nem-mágneses jelek érzékelésre (indirekt alkalmazás) mint pl. lineáris- vagy szöghelyzet, elmozdulás és sebesség érzékelés permanens mágnesekkel kontaktusmenetes módon, vagy áramérzékelés a mágneses tere révén, stb.

23

Mechanikai érzékelők I. Alapfogalmak dióhéjban Mágneses térerősség: Mágneses indukció (fluxussűrűség): Mágneses permeabilitás:

H B

Vákuumban

B = oH

Anyag jelenlétében

B = o(H + M)



[A/m] [Vs/m2 = Tesla] [Vs/Am]

Térfogategységre eső mágneses dipólusmomentum M [Am2/m3 = A/m] azaz mágnesezettség M = mH m: mágneses szuszceptibilitás

B = o(1 + m)H = orH azaz

r = 1 + m

24


Anyag és mágnesség

Csoport

Anyag

Szuszceptibilitás

Permeabilitás

diamágneses

Cu, Ag, Au, Bi

kicsi és negatív -10-5 -1

kb. 1

szupravezetők

0

paramágneses

Al, Pt

kicsi és pozitív 10-3 – 10-5

kb. 1

ferromágneses

Fe, Co, Ni, ritka földfémek, pl. Sm, Dy

nagy és pozitív 50 - 104

50 - 104

ferrimágneses

Fe3O4

nagy és pozitív

nagy és pozitív

25


Mágneses tér hatásai: érzékelés

A legfontosabb, az érzékelőkben kihasznált effektusok: • Mozgó töltéshordozók (áram) eltérítése (Lorentz erő) • Hall-effektus (Lorentz erő) • Mágneses ellenállásváltozás (többféle mechanizmus)

Mágneses érzékelés Előnyei: változatos alak és kivitelezés, nagy felbontású mérés lehetséges, többféle mérhető mennyiség (amplitúdó, fázis), egyszerű elektromos jellé konvertálni. Hátrányai: külső mágneses tér zavarhat, anyagfüggű működési hőmérséklettartomány,

26

Mechanikai érzékelők I. Lorentz erő Mágneses térben mozgó töltésre erő hat

𝐹 =𝑞𝑣×𝐵 F a töltésre ható erő q a részecske töltése B a mágneses indukció (vektor) v a részecske sebessége (vektor)

27

Mechanikai érzékelők I. Hall effektus Ha egy vezetőben vagy félvezetőben áram folyik, és azt mágneses térbe helyezzük, akkor a vezetőben mozgó elektronokra ható Lorentz-erő miatt a vezető két oldalán poteciálkülönbség lép fel, ez a Hall-feszültség. A jelenség jól keskeny mintában lép fel, ahol a töltéshordozók a hossziránnyal párhuzamosan mozognak az ez irányban kapcsolt feszültség hatására. A vékony minta síkjára merőleges mágneses térben keresztirányú elektromos erőtér is kialakul, ami kompenzálja a mágneses mezőben haladó töltéshordozókra ható Lorentz-erőt. A Hall feszültség:

𝑅𝐻 𝐼𝐵 𝑈𝐻 = 𝑡 t :a minta vastagsága, RH : a Hall-állandó.

28


A Hall elektromos tér

p-típusú mintában a lyukak sebessége -x irányú, a lyukakra ható F = q v × B Lorentz erő iránya -y, és lefelé téríti el a lyukakat.

A lyukak az alsó lapon felhalmozódva egy +y irányú elektromos teret hoznak létre. Mivel az y irányban nem folyik áram, az y irányú tér (a Hall tér) egyensúlyt tart a Lorentz erő terével,

Ey = v×Bz Ekkor és a Hall állandó

Ey = Vy/w = VH/w = RHjxBz RH = 1/qp

p : lyuk-konventráció 29

Mechanikai érzékelők I. Anyagok

Félvezetők vezetőképessége, illetve fajlagos ellenállás:

1 𝜎= =𝑞𝑛𝜇 𝜌

q : töltés, n : töltéshordozó koncentráció,  : mozgékonyság Hall állandó:

1 𝑅𝐻 = 𝑞𝑛 30

Mechanikai érzékelők I. Félvezető Hall szenzor

Működési hőmérséklettartomány: -40 °C … + 175 °C !!!

31

Mechanikai érzékelők I. Induktív érzékelés Biot–Savart-törvény: a tekercs két kivezetése közé időben állandó áramforrást kapcsolva a meginduló elektromos áram mágneses mezőt hoz létre. Amper törvény: az elektromos áram és az általa gerjesztett mágneses mező kapcsolatát írja le. A mágneses térerősség tetszőleges zárt görbe menti integrálja egyenlő a görbe által határolt felületen átfolyó áramok előjeles összegével.

Faraday törvény: ha egy mágneses erőtérben elektromosan vezető anyag relatív elmozdulása történik, és az elmozdulásnak van a mágneses erővonalak irányára merőleges összetevője, akkor a vezetőben elektromos feszültség indukálódik. Tekercs induktivitása: A : a tekercs keresztmetszete l : a tekercs ( mágneses erővonalak ) hossza N : a tekercs menetszáma µ0 : a vákuum permeabilitása µr : a tekercsbe helyezett mágneses anyagra jellemző szorzószám 32


Nyugalmi indukció

Mozgási indukció

33


Mágneses

Induktivitás Differenciál transzformátor Örvényáram Hall szonda

34

Mechanikai érzékelők I. LVDT – lineáris differenciál transzformátor

35


LVDT kimeneti jelalakok

36

Mechanikai érzékelők I. Örvényáramú érzékelés

Váltakozó mágneses tér örvényáramot indukál a fémes mintadarabnak. Az örvényáramok mágneses tere detektálható.

37


Optikai érzékelés

Optokapu – egyszerű kapcsoló

Egyszerű módszer forgó vagy egyenes vonalú elmozdulás érzékelésére – optokapu + kódtárcsa Incrementális jeladó Abszolút pozíció

38


Félvezető fotodetektor Fotoelektromos effektus

A félvezető pn átmenetére beérkező fotonok töltéshordozókat generálnak.

39


Doppler-hatás egy sugárzás hullámhosszában megjelenő változás, mely amiatt alakul ki, mert a hullámforrás és a megfigyelő egymáshoz képest mozog.

Ha a mozgó forrás f0 frekvenciájú hullámot bocsát ki, akkor a közeghez képest álló megfigyelő az alábbi módon meghatározható f frekvenciát észlel:

c : a hullám sebessége a közegben v : a hullámforrás sebessége a közeghez képest (pozitív = közeledő, negatív = távolodó)

40


Interferometria Optikai úthosszváltozás érzékenyen detektálható

Előnyök: nincs elektromos vagy mágneses zavarás, nagy érzékenység/felbontás (λ/2, λ/4, λ/8, λ/16… Hátrányok: kicsit bonyolultabb kiértékelés, őmérsékletváltozásra érzékeny lehet

41


Kérdések: 1. Mi az a nyúlásmérő bélyeg, mi működésének fizikai alapja? 2. Mi a gauge-faktor, mik a jellemző értékei? 3. Piezorezisztív hatás félvezető egykristályokban. 4. Hogyan lehet kihasználni a piezorezisztivitást MEMS eszközökben? 5. Mi a piezoelektromosság, mely anyagokban léphet fel? 6. Mágneses szempontból hogyan kategorizálhatók az anyagok, mik a jellemző paramétereik? 7. Mi az a Hall-effektus, mire lehet használni? 8. Differenciáltranszformátorral hogyan lehet elmozdulást mérni, milyen jelalakok mérhetőek? 9. Az optikai érzékelés főbb eszközei.

Olvasnivalók: http://www.mogi.bme.hu/TAMOP/mikromechanika/math-index.html http://www.slideshare.net/smilingshekhar/mechanical-sensors-2-24677162?qid=ec08a37f-5a254908-a699-72058c30c4a4&v=qf1&b=&from_search=2 http://www.slideshare.net/bapikumar144/mechanical-sensor?related=1 http://www.slideshare.net/kumarsri526/mechanical-sensors?related=2 42

Mechanikai érzékelők I. Érzékelési módszerek

Recommend Documents